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操作系统 OperatingSystem 计算机科学与技术系教授 孙辉博士 操作系统课程的主要内容及学习目的 一 主要内容 2 进程管理及处理机调度 1 操作系统概述及相关的背景知识介绍 3 存储管理及虚拟内存管理 5 文件管理 4 设备管理 二 学习目的 2 通过学习 了解系统编程的方法 3 学习系统程序设计中的思考方式和处理问题的技巧 提高程序设计能力和计算机应用能力 1 通过系统学习操作系统知识 深入了解其工作原理和计算机运作过程 更好地使用操作系统 4 为后续相关课程打下基础 三 主要参考书 5 JimMauroRichardMcDougall Solaris内核结构 冯锐等译 机械工业出版社 4 陈莉君 深入分析Linux内核源代码 人民邮电出版社 1 WilliamStallings OperatingSystemsInternalsandDesignPrinciples操作系统 精髓与设计原理 第五版 影印版 电子工业出版社 2006 3 本课程教材 2AbrahamSilberschatz PeterGalvin GregGagneOPERATINGSYSTEMCONCEPTS 操作系统概念 第六版 影印版 高等教育出版社 2002 5 3孙钟秀主编 操作系统教程 第三版 高等教育出版社 2003年8月 附电子讲稿 Chapter1IntroductionofOperatingSystem 操作系统概述 Mainpoints 1计算机系统的基本知识 2操作系统的基本概念 3操作系统的发展 4操作系统的主要成就 5现代操作系统的特征 6典型的操作系统简介 计算机系统概述 1 1ComputerSystemOverview hardware Processor 中央处理器 MainMemory 主存储器 物理内存 ReferredtoasrealmemoryorprimarymemoryVolatile 多变性 I Omodules 输入 输出设备 secondarymemorydevices 辅助存储器 外存 communicationsequipmentterminalsSystembus 系统总线 communicationamongprocessors memory andI Omodules 1 1 1BasicElements 计算机的基本元素 Top LevelComponents 1 1 2ProcessorRegisters 处理器寄存器 1 1 3InstructionCycle 指令执行周期 InstructionFetchExecute InstructionRegister 程序执行例 START FetchNextInstruction ExecuteInstruction HALT FetchCycle ExecuteCycle 1 1 4DirectMemoryAccess DMA 直接存储器存取 I OexchangesoccurdirectlywithmemoryProcessorgrantsI OmoduleauthoritytoreadfromorwritetomemoryRelievestheprocessorresponsibilityfortheexchangeProcessorisfreetodootherthings ClassesofInterrupts中断的分类 InterruptHandler中断处理 InterruptCycle中断周期 Interrupts中断的概念 1 1 5Interrupts 1 2OperatingSystemOverview software 操作系统概述 1 Aprogramthatcontrolstheexecutionofapplicationprograms 2 Aninterfacebetweenapplicationsandhardware 1 2 1OperatingSystem操作系统定义 一个控制应用程序的执行的程序 应用程序和计算机硬件之间的接口 OperatingSystem FunctionssamewayasordinarycomputersoftwareItisprogramthatisexecutedOperatingsystemrelinquishes 释放 controloftheprocessortoexecuteotherprograms 操作系统控制整个计算机的运行 但与一般的控制机制相比 有如下两点不同 操作系统作为资源管理器 1 2 2OperatingSystemObjectives操作系统设计的目标 Convenience 方便 MakesthecomputermoreconvenienttouseEfficiency 效率 AllowscomputersystemresourcestobeusedinanefficientmannerAbilitytoevolve 扩展能力 Permiteffectivedevelopment testing andintroductionofnewsystemfunctionswithoutinterferingwithservice 1 2 3LayersofComputerSystem 操作系统设计者面对的是计算机硬件 程序员面对的是操作系统和应用系统 最终用户面对的是应用程序 Programdevelopment 程序开发 EditorsanddebuggersProgramexecution 程序运行 AccesstoI Odevices 访问I O设备 Controlledaccesstofiles 控制访问文件 Systemaccess 系统访问 1 2 3ServicesProvidedbytheOperatingSystem操作系统提供的服务 Errordetectionandresponse 错误检测和响应 internalandexternalhardwareerrorsmemoryerrordevicefailuresoftwareerrorsarithmeticoverflowaccessforbiddenmemorylocationsoperatingsystemcannotgrantrequestofapplication Accounting 统计 collectstatisticsmonitorperformanceusedtoanticipatefutureenhancementsusedforbillingusers PortionofoperatingsystemthatisinmainmemoryContainsmost frequentlyusedfunctionsAlsocalledthenucleus 1 2 4Kernel内核 内核是操作系统最基本的部分 也可以认为 操作系统的一种定义就是内核 本程课程所介绍的操作系统即为内核 1 2 5EvolutionofanOperatingSystem操作系统的易扩展性 Hardwareupgradesandnewtypesofhardware 硬件的升级和新硬件的出现 Newservices 新的服务 Fixes 纠正错误 1 3EvolutionofOperatingSystems操作系统的发展 SimpleBatchSystems 简单批处理系统 SerialProcessing 串行处理 Multiprogramming 多道程序批处理系统 TimeSharing 分时系统 1 4MajorAchievements操作系统的主要成就 Processes 进程 MemoryManagement 内存管理 Informationprotectionandsecurity 信息保护和安全 Schedulingandresourcemanagement 调度和资源管理 Systemstructure 系统结构 1 5CharacteristicsofModernOperatingSystems 现代操作系统的特征 Microkernelarchitecture 微内核结构 Multithreading 多线程 Symmetricmultiprocessing 对称多处理 Distributedoperatingsystems 分布式 Object orienteddesign 面向对象 1 6典型操作系统 1 6 1WINDOWS2000操作系统 1 6 2UINX操作系统 MigrationofOperating SystemConceptsandFeatures Chapter2ProcessDescriptionandControl 进程描述和控制 2 1ProcessDescription 进程描述 进程的各种定义 三进程迸发执行动画 Aprocessisaprograminexecution processexecutionmustprogressinsequentialfashion CanbecharacterizedbyitstraceAprocessrequiresresources whicharemanagedbytheoperatingsystemTheOSinterleavestheexecutionofseveralprocessestomaximizeprocessorutilizationOSsupportsInterProcessCommunication IPC andusercreationofprocesses 2 2ProcessStates 进程状态及转换 一个进程的生命期可以划分为一组状态 这些状态刻划了整个进程 进程的状态反映进程执行过程的变化 进程的状态转换是一个非常复杂的过程 从一种状态到另一种状态的转换除了要使用不同的控制过程 有时还要借助于硬件触发器才能完成 从上面的三进程的例子可看到 由于有几个进程同时在运行 在某一时刻 不同的进程有不同的状态 如正在运行的进程 等待运行的进程 还有等待I O设备的进程 所以 进程的状态及转换是一个重要的概念 2 2 1Two StateProcessModel ProcessmaybeinoneoftwostatesRunning 运行 Not running 不运行 两状态的进程模型 2 2 2QueuingDiagram Dispatcher 分派程序 Programthatassignstheprocessortooneprocessoranother 分派CPU给一个个进程 Preventsasingleprocessfrommonopolizingprocessortime 防止一个进程独占CPU时间 Processor Enter Queue Dispatch Exit Pause Queuingdiagram 两状态进程队列图 2 2 35ProcessStates 进程的5种状态 Asaprocessexecutes itchangesstate New 新建 Theprocessisbeingcreated Running Instructionsarebeingexecuted Waitingorblocked Theprocessiswaitingforsomeeventtooccur Ready Theprocessiswaitingtobeassignedtoaprocess TerminateorExit Theprocesshasfinishedexecution 运行 等待或阻塞 就绪 DiagramofProcessState 新建进程允许进入就绪队列 就绪 新建 I O或事件完成 进程从阻塞队列转入就绪队列 运行 请求I O或其它资源 进程转入阻塞队列中 中断 进程调度 等待 结束 2 2 4Examplefor3Processes 三个进程运行状态转换的例子 UsingTwoQueues 两个队列 就绪队列和单一阻塞队列 使用单一阻塞队列 当队列中有大量的进程 导致效率下降 因为如果系统释放一个资源 要搜索整个阻塞队列 分类型的多个阻塞队列模型 2 2 5SuspendedProcesses ProcessorisfasterthanI OsoallprocessescouldbewaitingforI OSwaptheseprocessestodisktofreeupmorememoryBlockedstatebecomessuspendstatewhenswappedtodiskTwonewstatesBlocked suspendReady suspend 挂起的进程 进程的挂起就是进程被交换到外存中 OneSuspendState 等待事件 进程转入阻塞状态 等待的事件发生 进程转入就绪状态 阻塞进程被挂起 挂起的就绪进程被激活 进入就绪队列 2 2 6ReasonsforProcessSuspension SwappingTheoperatingsystemneedstoreleasesufficientmainmemorytobringinaprocessthatisreadytoexecute 操作系统需要更多的主存空间 以调入并执行处于就绪状态的进程 OtherOSreasonTheoperatingsystemmaysuspendabackgroundorutilityprocessoraprocessthatissuspectedofcausingaproblem 操作系统可能挂起后台进程或工具程序进程 或者因导致问题而已经挂起的进程 Interactiveuserrequest Ausermaywishtosuspendexecutionofaprogramforpurposesofdebuggingorinconnectionwiththeuseofaresource 用户可能希望挂起一个进程的执行 目的是为了调试或者与一个资源的使用进行连接 ReasonsforProcessSuspension TimingAprocessmaybeexecutedperiodically e g anaccountingorsystemmonitoringprocess andmaybesuspendedwhilewaitingforthenexttimeinterval 一个进程可能会周期性地执行 如计账程序或系统监控程序 而且可能在等待下一个时间间隔被挂起 ParentprocessrequestAparentprocessmaywishtosuspendexecutionofadescendenttoexamineormodifythesuspendedprocess ortocoordinatetheactivityofvariousdescendents 父进程可能会希望挂起后代进程的执行 以检查或修改挂起的进程 或者协调不同后代进程之间的行为 2 3 1ProcessCreation Submissionofabatchjob 新的作业 Userlogson 用户登录 Createdtoprovideaservicesuchasprinting 提供新的服务 Processcreatesanotherprocess 现有进程生成 2 3ProcessCreationandTermination进程的创建与终止 2 3 2ProcessTermination BatchjobissuesHaltinstruction 批处理指令 Userlogsoff 用户退出 Quitanapplication 结束应用程序 Errorandfaultconditions 硬件错误 进程的终止 2 3 3ReasonsforProcessTermination Normalcompletion 正常完成 Timelimitexceeded 超过时限 Memoryunavailable 无可用存储器 Boundsviolation 越界 Protectionerror 保护错误 examplewritetoread onlyfile 如写只读文件 Arithmeticerror 算术错误 Timeoverrun 时间超出 processwaitedlongerthanaspecifiedmaximumforanevent 终止进程的原因 ReasonsforProcessTermination I Ofailure I O失败 Invalidinstruction 无效指令 happenswhentrytoexecutedataPrivilegedinstruction 特权指令 只有操作系统才能使用 Datamisuse 数据误用 Operatingsystemintervention 操作员或操作系统干涉 suchaswhendeadlockoccurs 如出现死锁 Parentterminatessochildprocessesterminate 父进程终止子进程 Parentrequest 父进程请求 2 4OperatingSystemControlStructures 进程控制结构 2 4 1OperatingSystemControlStructures InformationaboutthecurrentstatusofeachprocessandresourceTablesareconstructedforeachentitytheoperatingsystemmanages Memory I O File Processes MemoryTables I OTables FileTables Process1 Process2 ProcessN ProcessesTable ProcessImage UserdataUserprogramSystemstackPCB OSControlStructures 2 4 2ProcessControlBlock PCB 进程控制块 Informationassociatedwitheachprocess Processstate 进程状态 Programcounter 程序计数寄存器 CPUregisters CPU寄存器 CPUschedulinginformation CPU调度信息 Memory managementinformation 内存管理信息 Accountinginformation 记账信息 I Ostatusinformation I O状态信息 ProcessContext cont Hardwarecontext 寄存器上下文 programcounterstackpointerprocessorstatuswordmemorymanagementregistersFPUregistersMachineregisterssavedinuarea sprocesscontrolblock PCB duringcontextswitchtoanotherprocess 2 4 5ProcessAddressSpace Kerneladdressspace 0 x7fffffff 0 xffffffff 2 4 6用户进程的虚拟地址 2 4 7BigPicture Data Text shared Kernelstack uarea Data Text shared Kernelstack uarea Data Text shared Kernelstack uarea kernelmemory 2 4 8ControlInformation Uarea Partofuserspace abovestack typicallymappedtoafixedaddress containsinfoneededwithrunning CanbeswappedProccontainsinfoneededwhennotrunning Notswappedout traditionallyfixedsizetable UareaandProcstructures UAreaPCB HWcontextpointertoprocreal effectiveidsargs returnvaluesorerrorstocurrentsyscall Signalinfofiledescriptortablecontrollingterminalvnode ProcstructureprocessIDandgroupuareapointerprocessstatequeuepointers scheduler sleep etc Prioritymemorymanagementinfoflags UserCredentials Everyuserisassignedauniqueuserid uid andgroupid gid Superuser root hasuid 0andgid 0everyprocessbotharealandeffectivepairofIds effectiveid filecreationandaccess realid sendingsignals Sendersreal effective receiversreal 2 5ProcessScheduling 进程调度概念简介 2 5 1ProcessSchedulingQueues Jobqueue setofallprocessesinthesystem Readyqueue setofallprocessesresidinginmainmemory readyandwaitingtoexecute Devicequeues setofprocesseswaitingforanI Odevice Processmigrationbetweenthevariousqueues ReadyQueue I ODeviceQueues 2 5 2ProcessScheduling 2 6 3Schedulers Long termscheduler jobschedulerselectswhichprocessesshouldbebroughtintothereadyqueue invokedinfrequently seconds minutes controlsthedegreeofmultiprogrammingMedium termschedulerallocatesmemoryforprocess invokedperiodicallyorasneeded Short termscheduler CPUschedulerselectswhichprocessshouldbeexecutednextandallocatesCPU invokedfrequently ms 2 6ChangeofProcessState进程切换 ChangeofProcessState SavecontextofprocessorincludingprogramcounterandotherregistersUpdatetheprocesscontrolblockoftheprocessthatiscurrentlyrunningMoveprocesscontrolblocktoappropriatequeue ready blockedSelectanotherprocessforexecution 进程切换 上下文切换 ChangeofProcessState UpdatetheprocesscontrolblockoftheprocessselectedUpdatememory managementdatastructuresRestorecontextoftheselectedprocess 进程切换 CPUContextSwitch 2 6 2WhentoSwitchaProcess ClockinterruptprocesshasexecutedforthemaximumallowabletimesliceI OinterruptMemoryfaultmemoryaddressisinvirtualmemorysoitmustbebroughtintomainmemory 何时进行进程切换 WhentoSwitchaProcess TraperroroccurredmaycauseprocesstobemovedtoExitstateSupervisorcallsuchasfileopen ExecutionoftheOperatingSystem Non processKernelexecutekerneloutsideofanyprocessoperatingsystemcodeisexecutedasaseparateentitythatoperatesinprivilegedmodeExecutionWithinUserProcessesoperatingsystemsoftwarewithincontextofauserprocessprocessexecutesinprivilegedmodewhenexecutingoperatingsystemcode ExecutionoftheOperatingSystem Process BasedOperatingSystemmajorkernelfunctionsareseparateprocessesUsefulinmulti processorormulti computerenvironment 2 6 4ProcessCreation AssignauniqueprocessidentifierAllocatespacefortheprocessInitializeprocesscontrolblockSetupappropriatelinkagesEx addnewprocesstolinkedlistusedforschedulingqueueCreateofexpandotherdatastructuresEx maintainanaccountingfile 进程创建的过程 2 7ProcessandThread进程与线程 2 7 1Process的特点 Resourceownership processisallocatedavirtualaddressspacetoholdtheprocessimage 资源所有权 分配虚拟地址空间保存进程映像及对处理器 其它进程 文件和I O资源的存取进行了保护 Scheduling execution followsanexecutionpaththatmaybeinterleavedwithotherprocesses 调度 执行 沿着某一执行路径执行 并与其它进程交替进行 Thesetwocharacteristicsaretreatedindependentlybytheoperatingsystem 对操作系统来说 这两种特性是分开的 将进程的第2个特征与第1个特征分开 单独设计具有第2个特征的结构 这就导致了线程的出现 Athread orlightweightprocess isabasicunitofCPUutilization itconsistsof programcounterregistersetstackspaceAthreadshareswithitspeerthreadsits codesectiondatasectionoperating systemresourcescollectivelyknowasatask Atraditionalorheavyweightprocessisequaltoataskwithonethread 2 7 2Thread 线程 Thread Anexecutionstate running ready etc SavedthreadcontextwhennotrunningHasanexecutionstackPer threadstaticstorageforlocalvariablesAccesstothememoryandresourcesofitsprocessallthreadsofaprocesssharethis Threads SuspendingaprocessinvolvessuspendingallthreadsoftheprocesssinceallthreadssharethesameaddressspaceTerminationofaprocess terminatesallthreadswithintheprocess IntroductiontoThreads ThreadControlBlock UserStack UserStack KernelStack KernelStack UserAddressSpace UserAddressSpace ProcessControlBlock ProcessControlBlock Thread Single ThreadedProcessModel MultithreadedProcessModel ThreadControlBlock UserStack KernelStack Thread ThreadControlBlock UserStack KernelStack Thread 2 7 3BenefitsofThreads Takeslesstimetocreateanewthreadthanaprocess 创造线程比进程的时间少 Lesstimetoterminateathreadthanaprocess 结束一个线程比进程的时间少 Lesstimetoswitchbetweentwothreadswithinthesameprocess 线程切换比进程切换更省时间 Sincethreadswithinthesameprocesssharememoryandfiles theycancommunicatewitheachotherwithoutinvokingthekernel 线程在同一个进程中 共享相同的内存和文件 它们之间的通信不用内核干涉 所以更节省时间 线程的优势 2 7 4Multithreading OperatingsystemsupportsmultiplethreadsofexecutionwithinasingleprocessMS DOSsupportsasinglethreadUNIXsupportsmultipleuserprocessesbutonlysupportsonethreadperprocessWindows2000 Solaris Linux Mach andOS 2supportmultiplethreads UsesofThreadsinaSingle UserMultiprocessingSystem Foregroundtobackgroundwork 前台和后台操作 Asynchronousprocessing 异步处理 Speedexecution 加速执行 Modularprogramstructure 模块化程序结构 2 7 5ThreadStates StatesassociatedwithachangeinthreadstateSpawn 产生 SpawnanotherthreadBlockUnblockFinishDeallocateregistercontextandstacks 2 7 6RemoteProcedureCallUsingThreads 按顺序执行 依次等待来自每个服务器的响应 RemoteProcedureCallUsingThreads 并行执行 同时等待来自每个服务器的响应 2 7 7User LevelThreads AllthreadmanagementisdonebytheapplicationThekernelisnotawareoftheexistenceofthreads 优点 线程切换无需内核干涉 节省了在两种模式下的开销 调度算法是程序专用的 不会扰乱底层的操作系统调度程序 可以在任何操作系统下运行 缺点 许多系统调用会阻塞 如果一个线程进行系统调用 则整个进程中的所有线程都会被阻塞 多线程技术不能利用多处理器技术 内核一次只把一个进程分配给一个处理器 用户级线程 2 7 9CombinedApproaches ExampleisSolarisThreadcreationdoneintheuserspaceBulkofschedulingandsynchronizationofthreadsdoneintheuserspace User LevelandKernel LevelThreads 2 7 10RelationshipBetweenThreadsandProcesses Threads Process Description ExampleSystems 1 1 Eachthreadofexecutionisauniqueprocesswithitsownaddressspaceandresources TraditionalUNIXimplementations M 1 Aprocessdefinesanaddressspaceanddynamicresourceownership Multiplethreadsmaybecreatedandexecutedwithinthatprocess WindowsNT Solaris OS 2 OS 390 MACH RelationshipBetweenThreadsandProcesses Threads Process Description ExampleSystems 1 M Athreadmaymigratefromoneprocessenvironmenttoanother Thisallowsathreadtobeeasilymovedamongdistinctsystems Ra Clouds Emerald M M CombinesattributesofM 1and1 Mcases TRIX 2 7 11CategoriesofComputerSystems SingleInstructionSingleData SISD singleprocessorexecutesasingleinstructionstreamtooperateondatastoredinasinglememorySingleInstructionMultipleData SIMD eachinstructionisexecutedonadifferentsetofdatabythedifferentprocessors CategoriesofComputerSystems MultipleInstructionSingleData MISD asequenceofdataistransmittedtoasetofprocessors eachofwhichexecutesadifferentinstructionsequence NeverimplementedMultipleInstructionMultipleData MIMD asetofprocessorssimultaneouslyexecutedifferentinstructionsequencesondifferentdatasets ParallelProcessorArchitectures SymmetricMultiprocessing KernelcanexecuteonanyprocessorTypicallyeachprocessordoesself schedulingformthepoolofavailableprocessorthreads MultiprocessorOperatingSystemDesignConsiderations SimultaneousconcurrentprocessesorthreadsSchedulingSynchronizationMemoryManagementReliabilityandFaultTolerance 2 7 12Microkernels SmalloperatingsystemcoreContainsonlyessentialoperatingsystemsfunctionsManyservicestraditionallyincludedintheoperatingsystemarenowexternalsubsystemsdevicedriversfilesystemsvirtualmemorymanagerwindowingsystemsecurityservices BenefitsofaMicrokernelOrganization UniforminterfaceonrequestmadebyaprocessAllservicesareprovidedbymeansofmessagepassingExtensibilityAllowstheadditionofnewservicesFlexibilityNewfeaturesaddedExistingfeaturescanbesubtracted BenefitsofaMicrokernelOrganization PortabilityChangesneededtoportthesystemtoanewprocessorischangedinthemicrokernel notintheotherservicesReliabilityModulardesignSmallmicrokernelcanberigorouslytested BenefitsofMicrokernelOrganization DistributedsystemsupportMessagearesentwithoutknowingwhatthetargetmachineisObject orientedoperatingsystemComponentsareobjectswithclearlydefinedinterfacesthatcanbeinterconnectedtoformsoftware MicrokernelDesign Low levelmemorymanagementmappingeachvirtualpagetoaphysicalpageframeInter processcommunicationI Oandinterruptmanagement 2 7 13Windows2000ProcessandItsResources Windows2000ProcessObject Windows2000ThreadObject Windows2000ThreadStates ReadyStandby 备用 线程被选择下一次在一个特定的处理器上运行 线程在该状态下等待直到该处理器可用 RunningWaitingTransition 一个线程在等待后 如果准备好运行但资源不可用时 进行该状态 Terminated Windows2000ThreadStates 2 7 14Solaris Processincludestheuser saddressspace stack andprocesscontrolblockUser levelthreadsLightweightprocessesKernelthreads SolarisMultithreadedArchitectureExample ProcessStructureinTraditionalUNIXandSolaris SolarisThreadExecution SynchronizationSuspensionPreemptionYielding SolarisUser LevelThreadandLWPStates 2 7 15LinuxProcess stask struct StateSchedulinginformationIdentifiersInterprocesscommunicationLinksTimesandtimersFilesystemVirtualmemoryProcessor specificcontext LinuxStatesofaProcess RunningInterruptableUninterruptableStoppedZombie Concurrency MutualExclusionandSynchronization 并发性 互斥与同步 Chapter3 3 1进程并发的概念 操作系统设计的核心问题是进程和线程的管理 1 多道程序技术 管理单处理器中的多个进程 2 多处理技术 管理多处理系统中的多个进程 3 分布处理技术 管理多台分布式计算机系统中多个进程的执行 在单处理器中 进程交替执行 在多处理器中 进程不但能交替执行 还能重叠执行 这些都表现出并发执行的外部特征 Communicationamongprocesses 进程间的通信 Sharingandcompetingforresources 资源共享与竞争 Synchronizationofmultipleprocesses 多进程同步 Allocationofprocessortime 分配处理器时间 3 1 1并发执行中操作系统要处理的问题 3 1 2DifficultieswithConcurrency Sharingglobalresources 全局资源的共享充满了风险 Managementofallocationofresources 操作系统很难最佳地分配资源 Programmingerrorsdifficulttolocate 定位程序设计错误非常困难 进程并发带来的困难 Example RaceConditions TwoprocesseswanttoaccesssharedmemoryatsametimeSolution SynchronizeAccess 3 1 3进程并发执行带来的问题的 例 设有堆栈S 栈指针top 栈中存放内存中相应的数据块地址 设有两个程序段getaddr top 和reladdr blk getaddr top 从给定的top所指栈中取出相应的内存数据块地址 reladdr blk 将内存数据块地址blk放入椎栈中